半球形肥皂泡法研究非受限稀薄氢氧混合气中的火焰加速动力学及其对氢能安全应用的启示

为解决氢能安全应用中火焰加速机制不明的问题，研究人员采用半球形肥皂泡法系统研究了稀薄氢氧混合气的燃烧动力学，揭示了Darrieus–Landau和diffusive–thermal不稳定性对火焰加速的关键作用，提出了临界Péclet数（Pe）与Markstein数（Ma）的线性关系模型，为氢能船舶燃料的安全设计提供了理论支撑。

　　

随着全球碳中和目标的推进，氢能因其零碳排放特性成为船舶燃料转型的热门选择。然而，氢气的宽 flammability range（可燃范围）和高反应活性，尤其在非受限环境中的泄漏风险，可能引发灾难性爆炸。尽管氢-空气混合气的燃烧特性已被广泛研究，但氢-氧混合气的火焰加速机制仍存在显著知识空白。特别是在稀薄条件下，Lewis数（Le）<1导致的diffusive–thermal不稳定性（质量扩散与热扩散的竞争效应）与Darrieus–Landau不稳定性（密度梯度引发的流体力学不稳定性）如何协同驱动火焰加速，以及临界火焰半径（R_c）和加速度指数（α）的定量规律，对氢能安全应用至关重要。

为填补这一空白，研究人员通过半球形肥皂泡实验装置（直径200 mm），结合高速Schlieren成像和OpenCV图像处理技术，系统研究了稀薄氢氧混合气（当量比φ=0.15–0.4）的火焰传播行为。实验采用Chemkin-Pro模拟结合GRI-Mech 3.0、Aramco Mech 1.3和San-Diego反应机理计算层流燃烧速度（S_L）和火焰厚度（δ），并通过Péclet数（Pe=R/δ）和Markstein数（Ma=Markstein长度/δ）量化不稳定性影响。

3.1 胞状结构演化
通过φ=0.15–0.4的Schlieren图像发现，稀薄混合气中胞状结构出现更早且更精细（φ降低时Le从0.788降至0.512），表明diffusive–thermal不稳定性增强。火焰半径（R）与速度（S_f）的时序分析显示，φ越低，火焰加速越显著（图4–5），证实不稳定性协同作用主导了早期加速。

3.2 临界Péclet数
实验测得临界Pe与Ma呈线性关系：Pe_c=?11.6Ma+50.3（图11），区别于氢-空气混合气的Pe_c=?8.0Ma+40.0。这一差异源于氢-氧混合气更宽的不稳定区间，为预测实际场景中火焰加速起始点提供了新参数。

3.3 加速度指数
半球形实验测得α=1.14–1.20（图12），高于球形实验的1.10–1.15，但低于大尺度实验的1.5。表明小尺度实验可能低估α，需通过扩大火焰尺寸（R>90 mm）进一步验证。

结论与意义
该研究首次通过半球形肥皂泡法量化了稀薄氢氧混合气的火焰加速规律，揭示：1）临界R_c随φ降低而减小，与Ma负相关；2）加速度指数α受实验尺度影响，需进一步优化；3）氢-氧混合气比氢-空气更易发生加速。这些发现为氢能船舶的泄漏风险评估和抑爆设计提供了关键理论依据，推动国际氢能安全标准（如ISO/TC 197）的完善。论文的创新性在于将基础燃烧理论与工程安全需求结合，被Green Energy and Resources收录，标志着氢能安全研究从宏观现象向微观机制的重要跨越。